裂隙岩體地下洞室超欠挖預測理論及工程應用（簡體書）

裂隙巖體地下洞室的超欠挖預測及評價是工程地質和巖體力學研究領域的一個重要發展方向，在以往地下洞室穩定性評價中，超欠挖的預測及評價經常不受重視，這無論從經濟意義還是從工程安全穩定的角度看都有所欠缺，鑒于國內研究洞室超欠挖課題較少的現狀，筆者自工998年涉足該領域，跟隨導師吳繼敏教授在宜興銅官山抽水蓄能電站開始現場地質資料的調查和分析工作，之后在攻讀碩士學位期間，跟隨導師繼續從事該領域的科研工作。但真正開始系統從事該課題的研究工作是在2000年攻讀博士學位前，在此之后，先后依托金麗溫高速公路連拱隧道工程、九華山大跨度三連拱隧道工程、諸永高速公路隧道工程和蘇州鳳凰山隧道工程等相關工程，開展了一系列的現場地質調查和研究工作，先后經歷了工0余年的歷程。獲得博士學位留校任教后，筆者仍然以該問題為主要研究方向，在國家自然科學基金的資助下，又發展和提升了該領域的研究內容，以巖體結構組合特征對超欠挖的影響為主線開展研究，取得了一定的研究成果。必須指出，由于地下洞室超欠挖預測的研究很難從定量的角度進行，因此超欠挖的預測往往具有一定的模糊性，而且評價結果的準確程度往往達不到工程應用所要求的精度，所以本書的研究主要從基礎研究的角度出發，同時兼顧部分應用研究，取得的主要研究進展如下：
（1）在充分考慮巖體受力的地質力學機理基礎上，結合野外測得的結構面幾何特征參數及現場地應力分布特征，提出一種基于地質力學機理的結構面網絡模擬技術，并把該技術運用到地下洞室的超欠挖預測中。另外，本書從塊體理論的角度出發，對超挖塊體和關鍵塊體之間的關系進行分析研究，并將塊體理論與結構面網絡模擬技術相結合，預測地下洞室超挖塊體的大小。
（2）從巖體的破壞機理出發，對裂隙巖體開挖后的洞室周邊分數維進行研究，提出了裂隙巖體洞室開挖周邊的廣義分數維模型，研究了不同影響參數與洞室周邊分數維之間的關系，并且從分形理論的角度建立洞室周邊廣義分數維與洞室超欠挖之間的關系，從而建立了以巖體破壞機理為基礎的超欠挖與廣義分數維之間的關系。從洞室周邊破壞機理的角度出發研究了爆破產生的洞室周邊界，并建立應力、應變與超欠挖之間的關系，完善了洞室超欠挖與分數維及洞室動態破壞之間的關系，同時還研究了超欠挖對圍巖應力場的影響。
（3）提出了基于地質統計模型的小波神經網絡對地下洞室超挖情況進行預測的基本方法。將地質統計模型理論和小波神經網絡理論相結合，預測了洞室超挖塊體的大小。對洞室圍巖的及MR分類和Q分類與超欠挖之間的關系進行了詳細的研究。研究不同開挖洞徑與洞室超欠挖之間的關系，并由此建立了RMX分類和Q分類之間的關系以及超欠挖與圍巖分類及洞徑之間的復相關關系。
（4）首次將圖像的開操作和閉操作方法運用到洞室超欠挖圖像的處理與分析中，并將處理后的洞室圖像與洞室的設計形狀對比分析，得到洞室在該斷面上的超欠挖方量，從定量的角度解決了以往工程中難以解決的超欠挖評價問題。
本書共分5章，第1章為緒論，第2章為裂隙巖體結構面的基本特征，第3章為洞室超挖預測中的結構面網絡模擬技術及塊體理論，第4章為裂隙巖體地下洞室超欠挖模擬方法研究，第5章為洞室超欠挖評價中的圖像處理技術。
需要指出的是，本書是基于筆者和所在團隊多年的研究成果著作而成，作者和所在的團隊為本書的出版傾注了大量的心血，南京水利科學研究院米占寬高工、江蘇省地質調查研究院陳杰教高、王彩會高工和宋京雷工程師參加了部分內容的編著工作，課題組部分研究生也為此付出了辛勤勞動，特別感謝國家自然科學基金委員會給予的項目資助（“基于結構面特征精細識別與模擬的洞室超挖預測理論研究（編號：41002089）”、“巖體結構面粗糙度3D精細識別、剪切破壞機理及工程應用研究（編號：4112162）”），同時也感謝從事課題研究過程中給予幫助的項目合作單位！
本書由河海大學孫少銳、吳繼敏、魏繼紅負責撰寫并統稿。
由于著者水平有限，不當之處在所難免，懇切希望讀者批評指正，另外，書中引用參考文獻中一些學者的研究成果或觀點，在此表示感謝。
作者
2013年7月6日于南京河海大學